Использование лазерной сварки, особенности




 

Применение лазерной сварки неуклонно растет в последние годы, потому что, как и при лазерной резке, многие преимущества лазерной обработки признаются и используются для производства более качественных продуктов с большей производительностью и меньшими затратами. Лазерная сварка универсальна и применима для соединения миниатюрных электронных компонентов или сварки стальных конструкций толщиной до 25 миллиметров.

Лазерные лучи стали применяться для сварки вскоре после изобретения лазера. Лазерные лучи использовались для сварки толстых стальных листов с начала 1970-х годов, когда экспериментальные электроразрядные CO2-лазеры с выходной мощностью более 10 киловатт (кВт) были доступны в ограниченном количестве.

Эксперименты по лазерной сварке также проводились со специальными CO2-лазерами, способными генерировать импульсы в несколько секунд. мощностью более 100 кВт и способностью пробивать 50 миллиметров стали. Возможность лазерной сварки конструкционных, судовых и трубных сталей, ядерных и аэрокосмических материалов была исследована и продемонстрирована в ходе этих первых испытаний.

Теперь доступны лазеры мощностью от сотен ватт до 60 кВт, специально разработанные и изготовленные для производственной эксплуатации. Поскольку капитальные затраты на оборудование для лазерной сварки относительно высоки, необходимо тщательно проанализировать экономическое обоснование и активно использовать потенциальные преимущества этого процесса.

Многие преимущества лазерной сварки уже проверены на практике, такие как высокая скорость, высокая производительность и низкое тепловложение, аналогичны преимуществам, предлагаемым лазерной резкой. О современных методах лазерной сварки подробнее можно прочитать на сайте laser-form.ru производственной компании «Лазерформ».

Тем не менее, преимущества лазерной сварки иногда необходимо учитывать при проектировании продукта, чтобы получить максимальные преимущества. В этой статье приводится краткая справочная информация о лазерной сварке, суммируются основные преимущества процесса и приводятся несколько примеров применения, в которых эти преимущества проявляются. эксплуатируется.

Процесс лазерной сварки

Типичная система лазерной сварки включает в себя генератор лазерного луча, оптику для направления луча для транспортировки луча к работе и фокусировки его до требуемого размера пятна и плотности мощности, а также рабочую станцию, содержащую оборудование для обработки деталей, которое может включать ручную или автоматическую загрузку и разгрузку.

Лазеры на CO2 и Nd: YAG используются почти во всех областях промышленной сварки. Для CO2-лазеров оптика направления луча представляет собой индивидуально регулируемые зеркала. Для Nd: YAG-лазеров, которые излучают свет с более короткой длиной волны и могут быть не такими мощными, как некоторые CO2-лазеры, может использоваться волоконно-оптическая доставка, а также зеркала.

Тем не менее, CO2-лазер — единственный лазер с достаточно высокой выходной мощностью, который можно использовать для сварки толстых стальных листов. Существует ряд типов CO2-лазеров, включая системы с медленным и быстрым осевым потоком, диффузионным охлаждением и системы с поперечным потоком, все с особыми преимуществами для конкретных приложений.

CO2-лазер с поперечным потоком обеспечивает самую высокую мощность и является единственным на сегодняшний день лазером, который продемонстрировал способность сваривать даже толстые стальные листы.  Наиболее отличительной характеристикой лазерного луча для сварки — по сравнению с дугой, резистивным или другими распространенными источниками тепла — является его высокая плотность мощности.

Для большинства промышленных применений лазерной сварки, в которых требуется сварка со сквозным отверстием (глубокое проплавление), лазерный луч мощностью в несколько кВт фокусируется на поверхность материала с диаметром пятна фокусировки примерно 0,1 мм. или больше. Это приводит к плотности мощности в диапазоне от 106 до 107 Вт / см2 в фокусе луча, что аналогично сфокусированным электронным лучам для сварки.

Плазма, которая может образоваться в результате взаимодействия между лазерным лучом высокой плотности мощности и потоком паров металла из замочной скважины, подавляется с помощью потока инертного или инертного газа. Гелий обычно используется для подавления плазмы (особенно при сварке мощным CO2-лазером), но при малых мощностях другие газы, такие как аргон, могут быть полезными.

Ключевые параметры процесса лазерной сварки включают мощность лазера, скорость сварки и фокусирующую оптику. Все эти параметры интерактивны. Для заданной фокусирующей оптики и толщины материала и при условии, что требуются сварные швы с полным проплавлением, чем выше мощность, тем выше скорость сварки. Фокусное расстояние оптики влияет на диаметр пятна луча в фокусе. Для данного лазерного луча диаметр пятна фокусировки напрямую зависит от фокусного расстояния.

Для оптики с коротким фокусным расстоянием размер пятна фокусировки небольшой, а плотность мощности высокая. Это приводит к узкой зоне плавления при высокой скорости сварки и низкой мощности лазера для сварки тонких материалов. Однако глубина резкости также мала для оптики с коротким фокусным расстоянием, поэтому диаметр луча быстро увеличивается с расстоянием от оптимального положения фокусировки. Малая глубина резкости приводит к ограничению глубины проплавления или толщины свариваемого материала, а также требует, чтобы во время сварки точно сохранялось расстояние фокусирующей оптики до детали.

И наоборот, оптика с большим фокусным расстоянием имеет большую глубину резкости, подходящую для сварки толстого материала, но более широкие зоны сплавления возникают из-за большего размера пятна. Плотность мощности, необходимая для сварки с глубоким проплавлением, увеличивается за счет увеличения мощности лазера.

Оптика с большим фокусным расстоянием имеет то преимущество, что она более терпима к изменениям рабочего расстояния. Кроме того, поскольку фокусирующая оптика удалена от точки взаимодействия, она менее восприимчива к дыму или брызгам, образующимся в процессе сварки. Из предыдущего обсуждения видно, что выбор подходящей фокусирующей оптики имеет важное значение для достижения оптимальных характеристик сварки. для каждого отдельного приложения.

Как уже упоминалось, источник тепла, создаваемый лазерным лучом, очень концентрированный. Большинство преимуществ процесса лазерной сварки проистекает из этой особенности. Эти преимущества включают в себя высокую производительность, низкое тепловложение / низкое искажение, глубокое проникновение, повторяемость и простоту автоматизации.

Высокая производительность лазерной сварки

Высокая скорость перемещения и глубокий провар способствуют высокой производительности процесса лазерной сварки. Типичная скорость перемещения для производственных процессов лазерной сварки составляет от 1 до 10 метров в минуту. Многие изделия из листового металла с толщиной материала от 0,75 до 2 миллиметров свариваются на более высоких скоростях, в то время как сварка толстого сечения требует более низких скоростей перемещения.

В любом случае эти скорости обеспечивают преимущества в производительности по сравнению с процессами дуговой сварки. Кроме того, характерная для лазерной сварки глубина проплавления обычно позволяет выполнять однопроходную сварку.

Максимальная толщина, которую можно сваривать за один проход, определяется максимальной мощностью доступного лазера. Например, CO2-лазер мощностью 3 кВт может эффективно сваривать сталь толщиной примерно до 5 миллиметров, а CO2-лазер мощностью 25 кВт может сваривать сталь толщиной 25 миллиметров.

В дополнение к однопроходной сварке на относительно высокой скорости в лазерном процессе обычно не используется присадочный материал (который необходим для многопроходной дуговой сварки). Таким образом достигается дополнительная экономия затрат. Наконец, поскольку лазерная сварка — это бесконтактный процесс с минимальными тепловыми искажениями, крепление может быть упрощено, что приведет к сокращению времени загрузки и разгрузки и снижению стоимости крепления.

Лазерная сварка имеет множество преимуществ и преимуществ. Некоторые из наиболее важных из них были отмечены в этой статье. Чтобы получить максимальную отдачу от лазерной сварки, пользователи должны в полной мере использовать преимущества этого процесса. В некоторых случаях это требует индивидуального проектирования изделий с учетом возможностей лазерной сварки.